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Quartz crystal oscillator

来源:http://huaweiinc.com 作者:泰河电子晶振 2018年12月22
对于中等稳定性的晶体控制振荡器,其中既不需要温度补偿也不需要烘箱操作,有三个主要参数:输出波形,频率和精度/稳定性.
A.输出.绝大多数系统需要输出,这是PECL兼容,CMOS兼容或遵循一些其他标准接口.这些输出中的任何一个都可以由跟随晶体振荡器级的电路简单地产生.一些常见的逻辑电平如图1所示.
  B.Accuracy/稳定性.振荡器规范中最基本的元素是输出频率.但是,在任何给定时间,振荡器的输出频率将与所需的指定频率不同,从而导致频率误差.此错误由三个主要组件组成:
 1.初始准确性.这通常定义为振荡器制造商在出厂时25°C时振荡器输出频率与指定频率之间的差值.在指定精度时,假设用户没有调整振荡器输出频率的规定.当包括频率调谐控制时,不再需要指定精度;相反,调整调整的范围和可设置性变得更加重要.
 2.温度稳定性.图2显示了晶体频率与温度的典型特征.它是图3中所示的一系列曲线之一.
  图3显示,一个极端曲线A在室温附近具有相对平坦的斜率(良好的温度稳定性),但在高温和低温下具有非常频率敏感性.另一个极端曲线B在室温附近显示出更高的灵敏度,但在宽温度范围内也提供了整体最佳温度稳定性.
  切割石英晶体的角度决定了特定晶体的温度特性.根据每个单独的晶体振荡器要求,选择该系列曲线的适当特性.在精心设计的振荡器中,稳定性与温度的关系主要取决于晶体的温度特性,振荡器制造商必须选择符合振荡器电路的晶体特性,以确保晶体的固有稳定性不会降低.
  例如,在0°C至+50°C范围内的温度稳定性为±10ppm意味着在指定温度范围内峰峰值频率变化为20ppm,与任何特定温度下的频率无关.这是普遍接受的温度稳定性定义,在MIL-0-55310中,称为“频率-温度稳定性”.
  如果要求参考温度与参考值的最大允许频率变化,则应指定为“在0°C至+50°C范围内±10ppm,参考+25°C频率.”
  虽然分离初始精度和温度稳定性,但两者可以组合在一起,为没有频率调谐调节的振荡器指定总体允许误差.适当的术语是“频率-温度精度”,它是在给定温度范围内与指定标称频率的最大允许偏差.
  3.老化(长期稳定性).老化是指晶体工作频率随时间的连续变化,所有其他参数(温度,电源电压等)保持不变.晶体加工越好,老化速率越低(即长期稳定性越高).数字
  4.显示典型的老化曲线.它说明当制造商最初开启晶体振荡器时,晶体会迅速老化,但其稳定性会随着时间的推移而提高.虽然老化速率通常会随着时间的推移而持续改善,但大多数晶体在开启后的几个月内达到接近其最低老化速率.
  只要晶体电流适中,大多数时钟振荡器中使用的焊接密封或电阻焊接的AT切割晶体在第一年提供5ppm的典型老化,此后每年提供3ppm(5ppm=.0005%=5x10-6).如果由这种晶体老化程度引入的误差超过用户系统中的误差,可以通过(1)指定在振荡器中包含频率调谐调整以允许定期重新校准和/或(2)来克服使用更高质量的crys-tal.通过采用真空玻璃或冷焊密封支架中的特殊加工晶体,可以实现每年1x10-6的老化.由于老化通常会在中等稳定性时钟振荡器中引入整体误差的一小部分,因此在指定这些器件时通常会忽略它.
  还有许多其他因素导致晶体振荡器不稳定,例如电源电压变化,负载变化和物理方向的影响;但是,它们对于已经详述的主要错误并不重要,因此不在此时钟振荡器部分的讨论中.
石英晶体振荡器Quartzcrystaloscillator总结
  总之,对于大多数时钟振荡器要求,如果它包括以下电气元件,则规范将足够完整:频率,输出电平(波形),电源电压,初始精度和温度稳定性.
  当整体精度/稳定性规格变得过于严格而无法通过简单的时钟振荡器实现时,可以在以下三个方面实现改进:
 1.可以基本上消除初始精度误差,并且通过如前所述将频率调整加入振荡器中来周期性地补偿老化.
 2.如前所述,通过使用更高等级的晶体可以改善老化,并且使用更高等级的电路来保持低的恒定晶体电流.
 3.通过使用温度补偿技术或将振荡器容纳在烘箱中可以改善温度稳定性.
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